2. Synthetische Arbeiten
2.8. Darstellung der Benzhydroxamsäuren
2.8.1. Darstellung der Benzhydroxamsäuren durch Substitution aktivierter
Als erste Methode wurde die Azolid-Methode angewendet. Sie verläuft unter milden Bedingungen. Die Hydroxylaminquelle war zum einen Hydroxylaminhydrochlorid , welches in situ durch Triethylamin in die freie Base überführt wurde und zum anderen eine methanolische Hydroxylaminlösung. In beiden Fällen konnte kein nennenswerter Umsatz in die gewünschte Benzhydroxamsäure beobachtet werden. Der zu erwartende Benzoesäuremethylester als Nebenprodukt wurde allerdings nicht gefunden, was auf eine unzureichende Aktivierung der Carbonsäure schließen lässt.
Eine weitere Methode war die Aktivierung der Carbonsäure als Carbonsäurechlorid mit anschließender Umsetzung zur Hydroxamsäure durch Hydroxylaminhydrochlorid und Triethylamin als Hilfsbase. Triethylamin setzt bei dieser Reaktion das Hydroxylamin aus seinem Salz frei und dient zusätzlich dazu das bei der Substitution freiwerdende Hydrochlorid des Carbonsäurechlorids zu binden. Diese Reaktion erforderte einen höheren Materialaufwand und führte zu geringen Ausbeuten, sowie Nebenprodukten.
Als nächstes Verfahren wurde die Aminolyse der Benzoesäuremethylester getestet. Sie stellt eine ältere aber robuste Methode zur Darstellung von Hydroxamsäuren dar. Dazu wird Hydroxylaminhydrochlorid in einer methanolischen Natriummethanolatlösung gelöst. Es werden wenigstens zwei Äquivalente Natriummethanolat benötigt. Das erste Äquivalent dient zur Freisetzung des Hydroxylamins und das zweite Äquivalent deprotoniert das Hydroxylamin zum Hydroxylaminanion, welches ein noch stärkeres Nukleophil darstellt als Hydroxylamin selbst. Dieses Anion reagiert in einer nukleophilen Reaktion mit dem Carbonyl-Kohlenstoff des Carbonsäuremethylesters unter Abspaltung von Methanolat zu einer Hydroxamsäure. Bei dieser Methode konnte ebenfalls keine ausreichende Umsetzung zum gewünschten Produkt erreicht werden, aber mit dem Carbonsäuremethylester gab es nur ein Nebenprodukt (Abb.: 62). Da die Konvertierung der Benzoesäurederivate in ihre Benzhydroxamsäurederivate am Ende einer mehrstufigen Synthese steht, musste eine Möglichkeit zur Darstellung gefunden werden, bei der keine Nebenprodukte entstehen, beziehungsweise das Produkt leicht von seinen Nebenprodukten zu isolieren ist.
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OH O X
R
O O X
R
HN O X
R
OH CDI
1. NH2OH, Et3N THF, RT 2. NH2OH, MeONa MeOH, RT SOCl2, NH2OH, Et3N THF, RT
NH2OH, MeONa MeOH, Rückfluss
1
1* 1#
Abbildung 62: Methoden zur Darstellung substituierter Benzhydroxamsäuren.
Um die Ausbeute zu steigern wurden weitere Aktivierungsreagenzien auf die Reaktion angewendet. Diese wurden allerdings nicht an bereits synthetisierten Benzoesäurederivaten erprobt, sondern an reiner Benzoesäure. Diese ist günstig zu erwerben und erspart den Verlust bereits synthetisierter Zwischenverbindungen. Außerdem kann man so die unterschiedlichen Methoden besser miteinander vergleichen. Es wurde die Umsetzung des Carbonsäuremethylesters unter basischen Bedingungen (Abb.: 62), die Aktivierung der Carbonsäure mittels Cyanurchlorid148 oder Tosylchlorid118 und die Aktivierung als gemischtes Anhydrid mit Chloroethylformiat147 miteinander verglichen. Die Substitution des Carbonsäuremethylesters lieferte unter den gewählten Bedingungen die gewünschte Benzhydroxamsäure, aber die Umsetzung verlief nicht vollständig. Da die Bedingungen recht drastisch sind und eine Spaltung der bereits geknüpften Amidbindung bei der späteren Umsetzung der 3-Amidobenzoesäuren ebenso mit sich führen könnte, wurde diese Methode verworfen. Die Umsetzung mittels Cyanurchlorid und Dimethylaminopyridin als Katalysator148 ergaben ebenfalls die gewünschte Benzhydroxamsäure, allerdings auch eine große Anzahl an Nebenprodukten. Selbst nach verschiedenen Reinigungsversuchen konnte die Benzhydroxamsäure nicht vollständig von den anderen Reaktionsprodukten getrennt werden. Als weitere Möglichkeit zur Darstellung der Benzhydroxamsäure wurde eine lösungsmittelfreie Methode118 getestet. Hierbei wird Hydroxylaminhydrochlorid in Wasser gelöst und anschließend an Kieselgel adsorbiert und getrocknet. Im Anschluss werden die einzelnen Edukte in einem Reagenzglas verrührt und so zur Reaktion gebracht. Das Aktivierungsmittel ist Tosylchlorid und Triethylamin stellt die Hilfsbase dar (Abb.: 63). Es konnte kein nennenswerter Umsatz zur Hydroxamsäure beobachtet werden.
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OH O O
O
OH O NH2OH-HCl
MeONa MeOH Rückfluss
H N O
OH
NH2OH-HCl Cyanurchlorid N-Methylmorpholin DMAP
CH2Cl2, RT
NH2OH-HCl Tosylchlorid Et3N Kieselgel
H N O
OH
H N O
OH
45' 45 45
46 46 46
Abbildung 63: Methoden zur Darstellung von Benzhydroxamsäuren.
Die Aktivierung der Benzoesäure mittels Chloroethylformiat zum gemischten Anhydrid und anschließender Umsetzung zur Benzhydroxamsäure verläuft unter milden Bedingungen147. Als Hydroxylaminquelle diente eine frisch hergestellte methanolische Hydroxylaminlösung (Abb.: 64). Die Umsetzung verläuft quantitativ, als Nebenprodukte treten Benzoesäure, Dibenzoesäureanhydrid, Benzoesäuremethylester und Benzoesäureethylester auf. Diese Methode wurde auf einige Verbindungen angewendet. Es zeigte sich aber, dass die Anwesenheit freier, nicht umgesetzter Carbonsäure einen erheblichen Ausbeuteverlust an Hydroxamsäure bedeutet.
O O OH
O
H N O O
O
OH
Chloroethyl-formiat Et3N THF, 0°C
NH2OH MeOH, RT
45 45* 47
Abbildung 64: Darstellung der Benzhydroxamsäure mittels Chloroethylformiat.
Dabei ist nicht die Menge der freien Carbonsäure von Bedeutung. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der synthetiserten Benzhydroxamsäurederivate und deren Carbonsäurehomologe ähneln sich stark (Abb.: 65), was eine Reinigung mittels chromatographischer Methoden oder Umkristallisation nur unter erheblichen Verlusten zulässt.
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Abbildung 65: Vergleich der Lipophilie zwischen Benzoesäure (links) und Benzhydroxamsäure (rechts). lipophil (grün), hydrophil (pink), neutral (blau). (MOE)
Da bei der Reinigung des Reaktionsgemisches die freie Carbonsäure auftritt, sei es durch Hydrolyse von noch vorhandenem gemischten Carbonsäureanhydrid oder wie im Fall der Benzoesäure durch Hydrolyse des Dibenzoesäureanhydrids, musste die Synthese weiterhin optimiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht im Wechsel zu einer alternativen Hydroxylaminquelle, anstelle das Aktivierungsreagenz auszutauschen. In der Literatur wird die Nutzung von O-substituierten Hydroxylaminen beschrieben120. Diese stellen Hydroxylaminverbindungen dar, bei denen die OH-Funktion durch Einführung einer typischen Alkoholschutzgruppe substituiert ist. Zwei Beispiele dafür sind O-Benzylhydroxylamin und O-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yl)-hydroxylamin. In dieser Arbeit wurde O-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yl)hydroxylamin als alternative Hydroxylaminquelle auf seine Eignung für die Darstellung der verschiedenen Benzhydroxamsäuren untersucht. Die Einführung dieser Gruppe führt zu einer Zwischen-verbindung (Abb.: 66), welche deutlich andere chemische Eigenschaften aufweist als die freie Carbonsäure und Hydroxamsäure. Sie ist deutlich lipophiler und kann durch chromatographische Methoden von der freien Carbonsäure abgetrennt werden. Da sie säurelabil ist und in saurer Umgebung sich leicht zu der entsprechenden Hydroxamsäure und 2-Dihydropyran zersetzt, wird die chromatographische Trennung unter basischen Bedingungen durchgeführt. Dies erleichtert zusätzlich die Trennung von der Carbonsäure.
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Abbildung 66: Darstellung der Lipophilie von Benz-[O-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yl)]hydroxamsäure. lipophil (grün), hydrophil (pink), neutral (blau). (MOE)
Im Folgenden wurde die schon beschriebene Methode unter Verwendung von Chloroethylformiat als Aktivierungsreagenz genutzt um die Zwischenstufe zu erhalten. Bei der Bildung des gemischten Carbonsäureanhydrids wird Salzsäure frei. Diese wird mittels Hilfsbase als Triethylammoniumchlorid gebunden, es reicht aber aus um bereits in gewissem Ausmaß die Tetrahydro-2H-pyran-2-ylgruppe abzuspalten. Da im Verlauf dieser Arbeit verschiedene Aktivierungsreagenzien respektive Peptidbildungsreagenzien untersucht wurden, fiel die Wahl auf PyBOP® (Abb.: 67). Die Synthese verläuft zügig, unter milden Bedingungen und hat einen geringen Materialaufwand.
OH O
HN O
O NH2OTHP
PyBOP DIPEA
THF, RT O
45 48
Abbildung 67: Darstellung der Benz-[O-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yl)]hydroxamsäure.
Die so gewonnene Zwischenstufe wird in einem letzten Syntheseschritt in das gewünschte Endprodukt überführt. Hierfür wird die Zwischenstufe lediglich in THF gelöst und mit einer katalytischen Menge para-Toluensulfonsäure oder Salzsäure versetzt und bei
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Raumtemperatur rühren gelassen. Bei der Charakterisierung der Endverbindungen fiel bei der Überprüfung der Reinheit auf, dass bei der Methode mit para-Toluensulfonsäure diese nach der Reinigung immer noch nachweisbar war. Daraufhin wurde die Spaltungsmethode mit Salzsäure zum Standard, da diese in einem einfachen Waschschritt aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden kann (Abb.: 68).
NH
O H
N O R1
NH
O H
N O O R1
R2 R2
49 50
O OH
1M HCl THF
Abbildung 68: Darstellung der 3-Amidobenzhydroxamsäuren aus den 3-Amidobenz-[O-(Tetrahydro-2H-pyran-2-yl)]hydroxamsäuren.
Bei dieser Reaktion ist zu beachten, dass man nicht zu stark ansäuert, da sonst 5-Hydroxypentanal entsteht149, welches Nebenreaktionen verursachen kann oder es entsteht ein O-Pentanal-Benzhydroxamsäureesterderivat. Unter den im Verlauf dieser Arbeit dargestellten Verbindungen befinden sich die substituierten 3-Aminobenzoesäurederivate mit einer tert-Butyloxycarbonylgruppe am anilinischen Stickstoff. Diese wird ebenfalls gespalten um die einfach substituierten 3-N-(Cyclohexyl)-aminobenzhydroxamsäuren und 3-N-(Benzyl)-aminobenzhydroxamsäuren zu erhalten. Die tert-Butyloxycarbonylgruppe ist ebenfalls wie die Tetrahydro-2H-pyran-2-ylgruppe basenstabil und säurelabil110,150, benötigt aber drastischere Bedingungen zur Abspaltung. Hierfür wird konzentrierte Trifluoressigsäure in Dichlormethan verwendet (Abb.: 69).
R
HN O N
O O
R OH
TFA CH2Cl2
R
H N O NH
R OH
51 52
Abbildung 69: Darstellung der 3-Aminobenzhydroxamsäurederivate.
53 Abschließend zu den synthetischen Arbeiten kann zusammengefasst werden, dass eine geeignete Methode zur Darstellung der 3-Aminobenzoesäuren mittels reduktiver Aminierung unter Verwendung von Triacetoxyborhydrid gefunden wurde. Ebenso konnte eine wirtschaftliche und robuste Methode zur Darstellung der 3-Amidobenzoesäuren mittels Thionylchlorid ermittelt werden und die Darstellung der Benzhydroxamsäuren aus den jeweiligen Carbonsäuren unter Nutzung einer Tetrahydro-2H-pyran-2-yl-Zwischenstufe etabliert werden.
2.9. Übersicht der dargestellten Benzhydroxamsäuren